3. Методы снижения параметров вибрации.

В тех случаях, когда фактические значения гигиенических характеристик вибрации превышают допустимые значения, применяются средства защиты от вибрации.

Классификация средств и методов защиты от вибрации определена ГОСТ 26568-85 «Вибрация. Методы и средства защиты. Классификация».

Выделяют следующие методы снижения параметров вибрации:

1. Методы снижения вибрации в источнике

2. Методы снижения параметров вибрации на пути её распространения

3. Методы защиты от вибрации на рабочем месте

Для снижения вибрации в источнике возникновения уменьшают силу, вызывающую колебания: проводят статическую и динамическую балансировку роторов, заменяют возвратно-поступательное движение на вращательное, повышают точность формы сопрягаемых деталей в редукторах и подшипниках, совершенствуют аэродинамические характеристики объектов и т.д.

Для пояснения методов снижения вибрации на путях ее распространения от источника к человеку рассмотрим основные характеристики колебательной системы. К ним отнесем частоту возмущающей силы ω, рад/с, частоту собственных колебаний ω_о, механический импеданс - комплексное сопротивление вибрирующей системы Z, зависящее от силы инерции, трения и упругости.

Рассмотрим эти характеристики на примере простейшей колебательной системы с одной степенью свободы. Такую систему можно изобразить в виде элемента массы m(кг), элементов упругости q(Н/м) в виде пружины и демпфирования-трения S(Н-с/м) в виде поршня в цилиндре (рис. 3).

Рисунок 3. Колебательная система.

На рис. 3 точка О обозначает положение статического равновесия, от которого отсчитывается координата х - смещение тела массой mпод действием гармонической возмущающей силыF. К телу также приложены сила инерции , сила упругости и демпфирующая сила трения , , - переменные текущие значения смещения, скорости и ускорения.

В соответствии с принципом Д^’Аламбера имеем , что соответствует уравнению движения . При этом тогда уравнение движения через колебательную скорость приобретет вид

Механический импеданс при гармонических колебаниях в комплексной форме определяется как отношение силы к скорости

,

т.е. состоит из трех импедансов:

- импеданса демпфирования (трения) ;

- импеданс массы ;

- импеданс упругости (жесткости) .

Действительная часть импеданса определяется трением S(энергия колебательного движения переходит в тепло), мнимая - упругостью и инерцией ( ) - энергия перераспределяется во времени, преобразуясь из переменной в постоянную.

Модуль механического импеданса . Зависимость элементов механического импеданса от частоты возмущающей силы ω представлена на рис. 4.

Рисунок 4. элементы механического импеданса.

Как известно, явление резонанса характеризуется совпадением частоты возмущающей силы ω и собственной частоты вибрирующей системы ω₀, в точке пересечения импеданса массы и импеданса упругости (рис. 4). Инерция и жесткость системы перестает играть существенную роль в колебательном процессе. При этом мнимая часть импеданса становится равной нулю , а амплитуда вибросмещения А_х и виброскорости A_vдостигает максимального значения.

Таким образом, собственная частота системы или .

Анализируя поведение составляющих импеданса в зависимости от частоты возмущающей силы ω, можно выделить следующие пять методов снижения вибрации:

- вибродемпфирование;

- отстройка от резонанса;

- виброгашение;

- виброизоляция;

- динамическое виброгашение.

Вибродемпфирование (вибропоглощение)

Из рис. 4 видно, что в резонансной области при ω = ω₀ импедансы и взаимоисключают друг друга, а поведение системы определяется импедансом трения (демпфирования) . Метод, основанный на увеличении внутреннего трения, за счет которого механическая энергия колебаний переходит во внутреннюю энергию материала (масляные демпферы, применение специальных материалов с высоким коэффициентом потерь)Этот эффект называют вибропоглощением (вибродемпфированием).

Рассеивание энергии системой определяется с помощью коэффициента потерь ,который характеризует долю потери энергии за один период колебаний. Например, коэффициент потерь энергии на частоте 1000 Гц для:

• чугуна и стали равен 10^-4

• губчатой резины - 0,15 ÷ 0,2

• вибропоглощающей мастики - 0,4 ÷ 0,44

Эффективность вибродемпфирования в дБ определяется как , где η₁ и η₂ - коэффициент потерь системы соответственно до и после применения вибродемпфирования (вибропоглощения).

Отстройка от резонанса

На низких частотах при ω < ω₀ в дорезонансной области колебания определяются импедансом упругости (жёсткости) (рис. 4) и чем ниже частота ω, тем важнее для снижения вибрации высокая жёсткость системы. Конструктивные меры, связанные с включением в конструкцию рёбер жёсткости, дополнительных опор, стальных оттяжек для мачт и т.п. - называют отстройкой системы от резонанса. При увеличении жёсткости qувеличивается собственная частота системы ω₀ и резонанса удаётся избежать.

Виброгашение

На высоких частотах при ω > ω₀ в зарезонансной области, как видно из рис. 2 колебательное движение определяется в основном импедансом массы . Таким образом высокочастотные вибрации можно легко устранить, применяя массивные корпуса машин, станины и фундаменты, которые порой в 20 ÷ 40 раз превышают массу оборудования (вспомним соотношение массы молотка по сравнению с массой наковальни).

Два последних метода снижения вибрации основаны на введении в колебательную систему дополнительных импедансов - это виброизоляция и динамическое виброгашение.

Виброизоляция

Этот метод наиболее распространён и заключается в ослаблении связи между источником вибрации и объектом виброзащиты путем размещения между ними виброизолирующего устройства (виброизолятора). Это могут быть пружины, рессоры, резиновый, резино-металлический или пневматический элемент с упругостью q₁на несколько порядков меньше упругости вибрирующей системы q(рис. 5). При этом у металлических виброизоляторов коэффициент трения S₁мал и близок к нулю; у виброизоляторов, содержащих резиновые элементы, он может достигать существенных значений и влиять на уровень вибрации в резонансной зоне (см. вибродемпфирование).

Рисунок 5. Вибродемпфирование.

Показателем эффективности виброизоляции является коэффициент передачи КП, который показывает какая доля динамической возмущающей силы передаётся через виброизоляцию (рис. 5)

,

где F_п- амплитуда передаваемой динамической силы; F_B- амплитуда возмущающей силы.

Если пренебречь затуханием в виброизоляторах, коэффициент передачи, можно рассчитать по формуле , а для оценки виброизоляции в дБ .

На рис. 6 представлена графическая зависимость КП от отношения частот ω/ω₀, из которой видно, что в области частот, близкой к резонансной, виброизоляция не только не даёт эффекта, но даже приносит вред КП>1.

Рисунок 6. Зависимость КП от ω/ω₀.

Виброизоляция начинает уменьшать передаваемую динамическую силу при отношении .Для этого снижают жёсткость виброизолятора q_1,резонансная частота ω₀ смещает в зону низких частот и при отношении ω/ω₀>5÷10 коэффициент передачи стремится к нулю КП →0.

Просто подложить кусок резины в качестве виброизолятора недостаточно. Дело в том, что резина практически несжимаема. Кусок резины податлив только в той мере, в какой он может раздаваться в стороны; если же расплющиваться ему некуда, или его боковая поверхность мала, то резина ведет себя как жёсткое тело, и никакой изоляции не происходит. Поэтому резиновые или резино-металлические виброизоляторы необходимо сконструировать так, чтобы материал работал на сдвиг. При использовании стальных пружин с малым демпфированием Si~ 0 амплитуды колебаний при резонансе выше, нежели при использовании резиновых виброизоляторов с S2 » Si, у которых значительно более высокий коэффициент потерь - внутреннего трения.

Динамическое виброгашение

Способ динамического виброгашения нежелательных низкочастотных резонансов основан на присоединении к защищаемому объекту массой mдополнительной массы m₁с упругой связью q₁(рис. 7). Если собственная частота присоединенного устройства (виброгасителя) будет равна частоте вибрационного воздействия ω, то основной защищаемый объект mостанется неподвижным, хотя именно к нему приложена переменная сила .Динамический виброгаситель колеблется с достаточно большой амплитудой в режиме резонанса, забирая энергию внешнего воздействия на себя.

Рисунок 7. Динамическое виброгашение.